英文原题：
Advancing the Economic and Environmental Sustainability of the NEWgenerator Nonsewered Sanitation System
通讯作者：Jeremy S. Guest，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校土木与环境工程系
作者：Shion Watabe, Hannah A. C. Lohman, Yalin Li, Victoria L. Morgan, Lewis S. Rowles, Tyler Stephen, Hsiang-Yang Shyu, Robert A. Bair, Cynthia J. Castro, Roland D. Cusick, Daniel H. Yeh, Jeremy S. Guest*
内容简介
美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校土木与环境工程系 Jeremy S. Guest 团队评估了 Newgenerator 系统的经济性和环境生命周期，并通过优化和改进来推进系统的可持续性，验证其是一种低成本、低排放的无下水道卫生设施处理技术，具有资源回收的潜力，其提升了地区卫生设施的安全性。这是 Guest 团队在 ACS Environmental Au 上面发表的第三篇文章（文末附前两篇文章链接，欢迎阅读）。
摘要
文章解读
全球的快速城市化，以及城郊地区、城市边缘地区和缺乏传统或安全卫生基础设施的非正式住区人口密度的增加使得这些区域的群体面临不安全卫生设施的风险。近年来，为解决这一问题，无下水道卫生(NSS)系统，尤其是NSS后端技术：NEWgenerator（厌氧膜生物反应器(AnMBR)、具有离子交换和碳吸附功能的营养物质捕获系统(NCS)和电氯化(EC)装置组成的集装式系统）得到了快速发展。然而，这项技术的经济可行性和温室气体影响，以及它对具体地点的敏感性还有待量化。Jeremy S. Guest 团队采集了2018年10月至2020年3月之间，在南非 KwaZulu-Natal 省 eThekwini 市一个非正式住区社区的一套 NEWgenerator 的534天现场试验数据(图1)。通过 QSDsan python 包对 NEWgenerator 的构造和性能进行建模。采用TEA的现金流分析来确定系统的人均成本，同时利用 LCA 对该系统的生命周期温室气体排放特征进行分析。为了表征 TEA 和 LCA 结果的不确定性，作者定义了光伏和并网配置的154个输入参数的概率分布，并用于蒙特卡罗模拟。最后，作者以中国、印度、塞内加尔、南非和乌干达5个国家进行情景分析，其中 NEWgenerator 之前已经在印度和南非进行了试点。
图1流程图总结了 NEWgenerator 系统(在灰色框内，有黑色虚线边框)和本分析中包括的附加系统(在灰色框外)。
研究表明，NEWgenerator 的总寿命温室气体排放量在光伏和并网配置下分别为140,000[85,000-216,000] kg CO2-equiv和199,000[138,000-281,000] kg CO2-equiv(图2)。在印度、中国和南非，并网配置比光伏配置成本更低，但排放更高，而塞内加尔和乌干达的电网特征假设导致光伏配置的成本和排放更低(图2B)。在所有五个国家中，并网和光伏配置的日成本分别低于0.114和0.100USD cap−1day−1。在五个国家中，印度的估计成本最低，并网和光伏配置的中位数分别为0.090和0.069USD cap−1day−1，其次是乌干达、南非、塞内加尔和中国。大多数国家的温室气体排放量高于一般情况，但乌干达除外，其光伏和并网能源的二氧化碳当量分别比一般情况低1.4和18.7kg CO2-equiv。各国并网配置导致温室气体排放量比光伏配置高28.6-34.8kg CO2-equiv cap−1day−1 (图2B)。其原因主要是乌干达的主要电力来源是水力发电。
图2 NEWgenerator 系统相关的经济和环境效应(A)两种不同的能源配置和(B)不同的部署环境。
对于 NEWgenerator 系统的经济费用分析表明：对于除 NCS 和预处理之外的所有单位，运维和资本分别是人均成本的第一和第二大贡献者。NCS 和预处理的第二大成本是人工成本。光伏配置的单元操作相对成本中位数最高的是污泥巴氏灭菌(31%)、NCS(12%)、EC(13%)和 AnMBR(12%)处理单元，其次是动力单元(10%)和控制单元(9%);（图3）。并网配置的各单元操作的相对成本相似，污泥巴氏灭菌(34%)、NCS(13%)、EC(16%)和 AnMBR(13%)处理单元的贡献最高，其次是控制(9%)和动力单元(1%);（图3）。光伏和并网配置之间对温室气体贡献的趋势相对一致。对于光伏配置，废水逸散性排放对生命周期温室气体排放的贡献中位数最高(33%)，其次是 NCS(31%)，污泥巴氏灭菌(22%)和EC(2%)。对于并网配置，对生命周期温室气体排放贡献中位数最高的是废水逸出排放(23%)，其次是污泥巴氏灭菌(32%)，NCS(22%)和EC (11%);（图3）。
图3 (A)每日人均费用概算(B)年人均生命周期温室气体排放量。
模拟研究表明：增加用户容量、使用替代组件和更有效的前端/后续服务、采用沸石再生、利用沸石吸附氨氮用于回收可有效降低成本（图4，5）。由于 AnMBR中产生的甲烷会溶于液体中流出，从而导致甲烷的逸散性排放，因此作者模拟了利用中空纤维膜接触器回收溶解甲烷，并假设HFMC可以去除63.3%- 98.9%的溶解性甲烷。虽然温室气体排放量可减少14.3 kg CO2equiv cap−1 year−1，但成本将从 0.013 USD cap−1day−1增加到0.157[0.125 - 0.205] USD cap−1day−1 (图5)。
图4(A)日人均成本(B)基于用户增加的影响，模拟了年人均温室气体排放量。
图5 (A)每日人均成本变化中位数(B)对每一项有针对性的改进进行模拟，以提高 NEWgenerator 系统的可持续性，并对基线情况下的 NEWgenerator 系统光伏配置的年人均温室气体排放量进行模拟。
同时，作者对光伏与并网能源配置的相对可持续性进行了比较(图6)。当并网电力单位成本低于0.07 USD kWh−1时，并网能源配置的人均成本低于光伏配置(图6A)。而在低单位电价下，并网配置可能比光伏配置更便宜。在几乎所有可能的单位温室气体排放方面，光伏配置的温室气体排放量都低于并网配置(图6B)。评估的五个国家(中国、印度、塞内加尔、南非和乌干达)的家庭电网电价均高于0.07 USD kWh−1的成本阈值(范围为0.081-0.186 USD kWh−1)，导致成本增幅最小(1 - 7%)，除乌干达(0.159 kg CO2equiv kWh−1)外，所有国家的电网温室气体排放均导致光伏系统的温室气体减排实质性(45%-58%)。因此，当单独考虑特定地点的电网电价和单位温室气体排放量时，所有五个国家在并网配置下的人均成本和温室气体排放量都更高。因此，对于电价高于0.07美元千瓦/时的任何国家，选择光伏配置减少温室气体排放将降低系统成本和温室气体排放。
图6(A)电网单位电力成本影响(B)电网电力单位排放对 NEWgenerator 系统的成本和影响。
思考与启示
目前，由于部分地区的发展程度、人口聚居分散、集中纳管成本高等情况，NSS 污水处理模式得到了极大关注，并开展了诸多研究。文中作者提到的 NEWgenerator 系统：厌氧膜生物反应器(AnMBR)、具有离子交换和碳吸附功能的营养物质捕获系统(NCS)和电氯化(EC)装置组成的集装式系统，可以实现污染物的高去除率(TSS去除率97.6±3.1%，COD去除率94.5±5.0%，LRV7.4±1.5%，总氮去除率82.1±24.0%)。同时该系统还能融合各类撬装式工艺来对污水进行深度处理。但先前研究主要关注于 NEWgenerator 系统的处理设施构建及相应处理效率（COD，氨氮等），很少能从经济成本和温室气体产生两方面来评估 NEWgenerator 系统的整体经济和环境效益，忽视了布置该系统所需依赖的具体环境情况。
因此，Jeremy S. Guest 团队评估了 NEWgenerator 的经济可行性和环境影响，并通过5个国家的背景信息对 NEWgenerator 系统的布设、运行和改进提供了新见解。不可忽视的是，NEWgenerator 系统的布设高度依赖于当地的经济和环境可持续性。总的来说，作为一种低成本、低温室气体排放、环境灵活的 NSS 系统，NEWgenerator 具有巨大的潜力，可以为没有下水道连接的社区、非正式定居点和其他现场非纳管地区提供服务。尽管与其他 NSS 技术相比，NEWgenerator 的经济成本和生命周期温室气体排放量相当，但一项 NSS 技术的成功与否，需要了解行动者、治理系统和相关系统如何与技术相互作用。总的来说，NEWgenerator 是一种低成本、低排放的NSS处理技术，具有资源回收的潜力，可以增加获得安全卫生设施的机会。
Jeremy S. Guest 团队的研究也说明一点：一项污水处理技术是否适合一个地方/区域，需要结合其具体应用环境来评估。目前，我们的很多研究重技术、重效率、轻应用环境。在研发污水处理技术的时候，很少能从环境工程的实际应用角度来评估该技术是否合理、合适。以本文提到的NSS技术为例，该技术中存在不同的功能执行设施，虽然这些设施可以执行类似的功能，例如 COD 的去除，但是具体的运行是否经济，是否环境可持续并没有得到充分的考虑。例如好氧和厌氧都能去除污水中 COD，目前认为厌氧不需要曝气，可以解决电费，因此可能比好氧更合适。但是否考虑到文中提到的厌氧产生的溶解性甲烷逸散造成的温室效应？另外，一项 NSS 技术的运行离不开当地的能源供给，所以当地能源的获取成本将会是 NSS 技术的重要考量之一。读者本人对于 NSS 技术还有一点个人的想法：评估一项 NSS 技术的地方适宜性应该考虑是否方便后续的改造升级，因为 NSS 技术服务的地方区域是一个多变环境，导致污水水质的不稳定性。由于污水水质的变化及环境要求的提高，污水撬装式处理设备，可以允许在不完全废弃原有污水处理设施的背景下，通过增加或改造部分结构来形成新的污水处理工艺，从而满足新的污水处理需求。
*感谢南京农业大学环境科学与工程系计小明老师撰写本文中文解读！
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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